家用電磁爐電路的Pspice仿真和能量轉(zhuǎn)換
家用電磁爐一般采用單管IGBT并聯(lián)諧振電路，由于電路簡(jiǎn)單，成本低，現(xiàn)在的電磁爐采用的都是這種電路拓?fù)?。筆者沒有考證這個(gè)電路拓?fù)涞臍v史，但是在我的印象中，電磁爐起碼也有20年的歷史，而且現(xiàn)在每年的產(chǎn)量起碼在千萬臺(tái)，這種拓?fù)鋺?yīng)該是成熟的，其控制策略也應(yīng)該是成熟的——有眾多的芯片產(chǎn)家為其配套。在互聯(lián)網(wǎng)上搜了搜，也沒有人用Pspice對(duì)其電路拓?fù)溥M(jìn)行仿真分析，反正吃飽了，閑著也是閑著，試著用Pspice對(duì)家用電磁爐所用的單管IGBT并聯(lián)諧振電路進(jìn)行簡(jiǎn)化建模，作主諧振電路的技術(shù)仿真。
據(jù)資料介紹，電磁爐的電磁線圈有157uH左右，也有的是105uH；電容一般是0.15uF或是0.2uF，電阻為0.6歐姆，運(yùn)行頻率為20KHz左右。這里用105uH的電感，0.2uF的電容，按20KHz頻率運(yùn)行。
拓?fù)錇?/SPAN>
L=105uH，C=0.2uF，R=0.6Ω，Us=20V，
PW=12.5us，PER=50us
下圖為電感電流曲線：
下圖綠線為電源電壓，紅線為IGBT的C極電壓曲線。
下圖藍(lán)色為電感電流，綠色為電源電壓，紅色為IGBT-C 極電壓。
下圖為電容電流曲線。
下圖為IGBT的電流曲線。
各點(diǎn)狀態(tài)參數(shù)表
|
時(shí)刻 |
狀態(tài) |
電容端電壓 |
IGBT-C極電壓 |
電感電流 |
|
us |
|
Uc（V） |
（V） |
IL（A） |
|
0 |
IGBT導(dǎo)通 |
|
0 |
|
|
12.5 |
IGBT關(guān)斷 |
20 |
0 |
2.2 |
|
14.3 |
電感電流達(dá)到正向峰值 |
0 |
20 |
2.7 |
|
21.4 |
|
-52 |
72 |
0 |
|
28.5 |
電感電流達(dá)到反向峰值 |
0 |
20 |
-2.2 |
|
30.5 |
IGBT-C極電壓=0 |
20 |
0 |
-2 |
|
35.7 |
|
- 49 |
69 |
0 |
|
41 |
IGBT-C極電壓=0 |
20 |
0 |
2 |
|
43 |
電感電流達(dá)到正向峰值 |
20 |
20 |
2.1 |
|
50 |
IGBT再次導(dǎo)通 |
-47 |
67 |
0.1 |
下面摘錄《電磁爐維修技術(shù) 張新德主編》p31，[問答30]
電磁爐的LC振蕩?？焓码姶艩t的核心電路，其工作原理就是LC并聯(lián)諧振的原理，通過電感線圈與振蕩電容不停地進(jìn)行充電和放電，產(chǎn)生振蕩波形。LC振蕩電路的工作過程是：當(dāng)IGBT的C極電壓為0V時(shí)，IGBT管導(dǎo)通（監(jiān)控電路檢測(cè)到C極電壓為0V時(shí)，即開啟IGBT），此時(shí)的電感線圈開始儲(chǔ)存能量，當(dāng)IGBT由導(dǎo)通轉(zhuǎn)向截止時(shí)，此時(shí)由于電感線圈的作用，電流還會(huì)沿著先前的方向流動(dòng)，由于IGBT關(guān)斷，電感只能對(duì)電容C充電，從而引起C極上的電壓不斷升高，直到充電電流變小降至0時(shí)，C極電壓達(dá)到了最高。此時(shí)，電容C開始通過線圈放電，C極電壓降低，當(dāng)C極電壓降到0V時(shí)，監(jiān)控電路動(dòng)作，IGBT再次開啟，如此循環(huán)。
單管并聯(lián)諧振電路是硬開通、硬關(guān)斷。電容的開通浪涌電流為40A，IGBT的開通浪涌電流為100A，因此供電電源必須為恒流源，即是大電感作扼流圈的直流電源。
關(guān)斷應(yīng)該是電感電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)，監(jiān)控電路給出信號(hào)令IGBT關(guān)斷。IGBT關(guān)斷后，LRC進(jìn)入自由振蕩狀態(tài)，此時(shí)電感電流2.2A并未達(dá)到峰值，電容放電，電感繼續(xù)流過正方向電流，經(jīng)過約1.8us，電感電流達(dá)到峰值2.8A，電容放電完畢；電容放電完畢，電感電流大小、方向不變繼續(xù)正向流動(dòng)向電容反方向充電；到21.4us時(shí)，電感儲(chǔ)能釋放完畢，電容反向充電到52V；電感儲(chǔ)能釋放完畢后，電容反方向向電感放電；到28.5us時(shí)，電容放電完畢，電感電流達(dá)到反方向的峰值2.2A；然后電感釋放儲(chǔ)能，繼續(xù)流過反方向的電感電流，向電容的正方向充電；到35.7us時(shí)，電感儲(chǔ)能釋放完畢，電容正向充電到49V；，電感儲(chǔ)能釋放完畢后，電容正方向向電感放電；到43us時(shí)，電容放電完畢，電感電流達(dá)到正方向的峰值2.1A；電容放電完畢，電感電流大小、方向不變繼續(xù)正向流動(dòng)向電容反方向充電；到50us時(shí)，電感電流降低到0.1A，電容反方向充電到47V。
如果就在50us時(shí)重新令IGBT導(dǎo)通，此時(shí)，正向電感電流降低到0.1A，所儲(chǔ)正向電磁能量很小，重新注入的正能量和它不發(fā)生沖突，剩余能量的影響較?。坏藭r(shí)電容儲(chǔ)存有反方向的電場(chǎng)能，當(dāng)IGBT重新導(dǎo)通時(shí)，IGBT相當(dāng)于短路，電容電壓（2.35倍電源電壓）和電源電壓疊加釋放，第一，浪涌電壓很大，對(duì)IGBT的沖擊很大；第二，這部分能量是白白浪費(fèi)。
如果按照電磁爐的控制策略，當(dāng)C極電壓降到0V時(shí)，監(jiān)控電路動(dòng)作，IGBT再次開啟，如此循環(huán)。從波形圖可以看出，C極電壓有兩個(gè)過0點(diǎn)，一個(gè)是30.5us時(shí)，此時(shí)電感電流為反方向的2A；第二個(gè)是41us時(shí)，此時(shí)的電感電流為正方向的2A。從控制上說，第一點(diǎn)較好控制。但在這點(diǎn)控制IGBT重新導(dǎo)通后，輸入的正能量會(huì)和電感里面的剩余能量發(fā)生沖突，互相抵消；電容反方向充有的電場(chǎng)能量會(huì)短路釋放。
如果在第二點(diǎn)控制，比較麻煩，但此時(shí)電感里的剩余能量是正能量，能量會(huì)疊加——即電流會(huì)疊加，這點(diǎn)對(duì)硬關(guān)斷控制影響不大；只是此時(shí)電容反方向充有的電場(chǎng)能量會(huì)短路釋放。
從波形圖可見，IGBT重新導(dǎo)通的最佳點(diǎn)在35.7us時(shí)刻，此時(shí)電感的反方向電流剛好到0，而電容正方向充電到49V。若此時(shí)令IGBT導(dǎo)通，電感受電源激勵(lì)通過電流，同時(shí)電容向電感的正方向放電，電感的電流和IGBT的電流并不相同，以IGBT電流為基準(zhǔn)控制，可保持運(yùn)行頻率穩(wěn)定，但電感電流超出設(shè)定值。
如此看來，這種 “并聯(lián)諧振電路”，不管采用何種控制方法，盡管可以順利工作，但內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換都存在問題。電是看不見、摸得到的東東，電路的運(yùn)行規(guī)律都是靠推斷，感謝Pspice讓我們可以看到電路的運(yùn)行規(guī)律，也看到了電路能量轉(zhuǎn)換存在的問題。前段時(shí)間寫了篇《論可控硅并聯(lián)諧振變流器的能量轉(zhuǎn)換》，文中指出了該類型電路中存在能量轉(zhuǎn)換的問題，當(dāng)時(shí)還說單管并聯(lián)諧振電路的能量轉(zhuǎn)換好，不料也是憑感覺想當(dāng)然。通過以上的仿真，說明 “并聯(lián)諧振”電路拓?fù)涫怯袉栴}的，盡管這種拓?fù)湓谧冾l電源行業(yè)有很長(zhǎng)時(shí)間、很大規(guī)模的應(yīng)用。
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